几种LED调光技术的分析

LED照明产品在替代通用白炽灯、节能灯照明的同时，除了可调光外，LED灯的发光颜色、光输出、发光效率等相关指标，与LED驱动的调光控制方案(例如0-10V，DALI等有关控制协议)、拓扑结构、散热系统、驱动方案以及现有的一些基础设施有很大关联，这些都影响到LED调光过程中的工作状态和调光控制性能。

目前关于LED调光方面有如下几种技术：

1、用调正向电流的方法来调亮度

LED调光顾名思义，可以理解为调整LED的亮度，调整LED的亮度，最简单的一个措施就是改变它的工作电流。因为根据LED的特性，其亮度与它的工作电流基本上成正比关系。图1中显示的是美国知名芯片公司 Cree 公司的一款大功率LED芯片 XlampXP-G 的输出相对光强和正向电流的关系。

图1 XLampXP-G 的输出相对光强和正向电流的关系

由上图可知，在LED 光输出100%的时候，其工作电流为350mA，那么当其工作电流降低到200mA时，其光输出就大约是60%，当其工作电流降低到100mA时，光输出降低到大约25%。因此改变LED的正向电流大小可以很容易的实现亮度的调节。

1.1 调节正向电流的方法

分析目前LED供电系统电路的拓扑结构，基本上所有的LED驱动芯片都有一个接口用来检测电流，这个接口的工作原理是通过检测到输出的电流检测电阻上的电压来和芯片内部的参考电压比较，从而达到控制输出电流恒定的目的。这也是说调节LED的电流，最简单的方法就是改变和LED负载串联的电流检测电阻(图 2a)，就可以达到调光的目的。然后根据由于考虑系统整体效率的因素，这个检测电阻的值通常很小，往往只有几欧甚至只有零点几欧，通过在墙壁上安装一个几欧甚至零点几欧的电位器来调节电流是不太现实的一种做法，因为连接LED灯和电位器之间的引线电阻也会有零点几欧了。

此外，有些芯片因此提供了一个控制电压的接口，改变输入的控制电压就可以改变其输出恒流值。例如凌特公司的 LT3478(图 2b)只要改变 R1 和 R2 的比值，从而改变其芯片内部的基准电压，也可以改变其输出的恒流值。然而这种做法因其电路连接方式的特殊性，很难大范围应用到实际照明应用系统中。

图2 输出恒流值的调节

2、采用脉宽调制(PWM)来调光

不同于传统白炽灯等类似线性阻抗光源，LED灯是一个可以实现快速开关的二极管，其开关速度基本上在us以上。这是其他传统光源的发光器件根本无法比拟的。因此针对于此，如果把驱动电源改成脉冲恒流源，通过改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。这种方法被称为脉宽调制调光法，也就是PWM调光。如下图3所示为这种PWM脉宽调制的波形。

图3 用改变脉冲宽度的方法来改变 LED 的亮度

为实现PWM调光，经过研究实验，通常的做法是在LED的负载中串入一个MOS开关管，LED的供电是用一个恒流源供电。

图4 用 PWM 信号快速通断 LED 串

当需要实现调光功能时，芯片内部发出一个PWM信号加到MOS管的栅极，从而能够快速的开关串联的LED，以达到实现调光的目的。随着市场应用的不断成熟，很多公司在开发这些类似的恒流芯片时，都会在芯片上附加一个PWM的接口，可以直接接受外部提供的PWM信号，以此来控制输出MOS开关管。

3、采用交流电源的 LED调光

分析传统白炽灯、卤素灯等调光系统，因为与LED灯相比，白炽灯和卤素灯是纯阻性器件，这也就意味着它的电流波形和电压波形永远是一样的，当采用可控硅来调光时，输入电压波形因可控硅导通角度变化而偏离正弦波，也就是改变输入电压的有效值，就可以实现调光的目的。

其电原理图如图5 所示。虚线部分就是安装在墙上的可控硅调光开关。a-b 之间的电阻就是白炽灯负载。所以可控硅开关直接与负载是串联的。

图5 可控硅调光的电路图和波形图

可控硅电位器中带一个开关，接在n的输入端，用于控制灯的开关。可控硅导通过程中，改变其内部可调电阻的分压比，改变其导通角，就可以改变其输出电压有效值，从而实现调光功能。除了可控硅以外，还有晶体管前沿、后沿调光技术等，基本原理都差不多。

小结

照明市场发展到现在，伴随着人们节能意识的不断加强，加上市场的需求，人们对整个照明系统的功能化越来越多，其中照明调光显得尤为明显。调光具有节能的有点，人们可以根据实际的亮度需求，通过相关的控制，即可获取其想要的亮度。相对于传统照明灯具如白炽灯、节能灯等，LED照明产品的调光节能效果更为明显。白炽灯、节能灯在调光的过程中其工作效率发生明显的下降现象，而LED灯恰恰相反，在调光过程中其发光效率反而会提高，这主要是因为在调光过程中，当LED灯在低发光亮度时，通过LED的正向电流变小，系统供电电路中相关回路上电阻成份上的损耗降低了，相应的系统的效率就提高了。因此针对LED的调光技术的研究，还需要我们做更多的研究和分析。

【厦门大学物理与机电学院周珍富、厦门大学物理与机电学院王亚军副教授、陈艳玲 、贾迎春、郭捷、倪斌等人对本文均有贡献】